3D 프린팅 복합 부품, 항공우주 및 건설용 자가 센싱 손상 감지 구현

브라이트랜드 소재 센터(네덜란드 헬렌)가 자가 센싱 기능이 있는 3D 프린팅 복합 부품을 개발했다. 자가 센싱은 항공우주, 건설, 헬스케어 같은 분야에서 중요 구조물 모니터링 기회를 창출한다.

자가 센싱이란?

자가 센싱은 소재가 센서 역할을 하여 자신의 상태 정보를 수집하는 능력이다. 탄소 섬유 강화 폴리머 매트릭스 복합재는 연속 섬유의 전기 저항 측정 가능한 변화 기반으로 이미 자가 센싱 능력 제공이 입증되었다. 이런 소재들은 항공기와 교량, 건물 등 건설 응용 분야의 구조 건전성 모니터링(SHM)에 개발 및 시연되고 있다.

전통적으로 이런 자가 센싱 복합 소재는 다단계, 더 복잡한 조작, 특수 장비를 포함하는 기술로 제조되어 왔다. 브라이트랜드 소재 센터는 연속 탄소 섬유의 자가 센싱을 적층 제조와 결합하여 SHM 응용을 더 비용 효율적으로 만들어 더 넓은 사용과 새로운 응용 확장을 가능하게 한다.

연속 섬유 3D 프린팅, 새로운 지평 열다

적층 제조는 연속 탄소 섬유의 매우 정밀한 위치 지정과 배향을 가능하게 한다. 따라서 섬유를 제품 내 선택된 위치에 배치하여 지정된 하중 경로를 따라 필요한 강도와 강성을 제공하고 구조의 통합 부분이 되게 할 수 있다. 이는 탄소 섬유가 구조 모니터링을 위한 '센서' 역할을 하는 곳에 위치함을 의미하며 다중 섬유가 부품 전체에 센서 범위를 형성할 수 있다.

브라이트랜드 소재 센터는 보행자 복합 교량 축소 모형과 단순 보의 변형 모니터링으로 이 개념을 시연했다. 둘 다 애니스프린트(룩셈부르크 에슈쉬르알제트) 콤포저 A4 복합 3D 프린터로 프린트되었다. "새 애니스프린트 시스템에 특히 만족하는데, 프린팅 소재 선택의 높은 자유도와 섬유 증착 완전 제어를 제공하기 때문"이라고 브라이트랜드 소재 센터 연구 엔지니어 기 벡스는 말한다. 섬유 위치 지정 자유도는 센싱에도 중요한데 연속 탄소 섬유가 부품에서 돌출하여 모니터링용 전자 하드웨어와 연결되어야 하기 때문이다.

더 정밀한 3D 프린팅 결과

3D 프린팅은 툴이나 금형이 필요 없어 연속 섬유 강화 복합재를 어떤 형상이든 원스텝으로 생산할 수 있어 기존 다단계 기술(더 복잡하고 시간과 비용이 많이 듦)을 대체한다. 그러나 3D 프린팅 구조물 제조 공정 최적화는 여러 반복이 필요할 수 있다. 자가 센싱 3D 프린팅 복합재는 실제 사용 환경 정보를 수집해 신제품 설계 및 프로토타입 단계에 중요하다.

이런 테스트 중 자가 센싱 3D 프린팅 부품은 실서비스에서 경험하는 실제 조건과 힘을 기록하여 설계자와 엔지니어에게 프린팅 부품이 견뎌야 할 실제 요건에 대한 더 정밀한 이해를 제공한다.

이런 센싱은 부품이 진단 도구 역할을 하게 할 수도 있다. 예를 들어 3D 프린팅 자가 센싱 보조기나 의수 부품이 환자를 안내하고 스트레스 분포와 움직임 패턴에 대한 귀중한 정보를 의사에게 제공할 수 있다.

연구 파트너

브라이트랜드 소재 센터는 네덜란드 응용 과학 연구 기구 TNO(헤이그)와 림뷔르크 주가 설립한 독립 연구 센터다. 산업 혁신을 강한 응용 초점으로 지원하며 3D 프린팅 자가 센싱 복합재 연구 로드맵을 포함한 전용 계약 연구와 참여를 제공한다.

애니스프린트는 애니스프린팅(anisoprinting) 발명사다 - 연속 섬유 3D 증착을 통한 최적 복합 구조 설계 및 생산 기술. 회사는 3D 프린터, 소재(탄소 및 현무암 섬유 기반), 소프트웨어를 제조하여 과학자들이 연구 문제를 새롭고 더 효과적인 방식으로 해결하고 제조 기업들이 비용을 절감할 수 있게 돕는다.